張宏林

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所，西安 710089)

基于能力驗(yàn)證的武裝直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛設(shè)計(jì)與評(píng)估

張宏林

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所，西安 710089)

依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和使用要求進(jìn)行基于能力驗(yàn)證的試飛設(shè)計(jì)與評(píng)估是適應(yīng)新的軍事變革背景下航空武器裝備試驗(yàn)工作轉(zhuǎn)型的重要方向。為了探索基于能力的航空裝備試驗(yàn)鑒定模式，以某型武裝直升機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)其作戰(zhàn)使命任務(wù)要求和作戰(zhàn)能力，開展試飛設(shè)計(jì)、試飛結(jié)果分析及飛行品質(zhì)等級(jí)評(píng)定等研究，提出基于作戰(zhàn)能力驗(yàn)證的武裝直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛設(shè)計(jì)思路和方法，并給出有效的試飛結(jié)果評(píng)估方式。所獲得的試飛結(jié)果真實(shí)體現(xiàn)了武裝直升機(jī)貼地突防和機(jī)動(dòng)規(guī)避等能力，該試飛設(shè)計(jì)思路和試飛方法可以指導(dǎo)后續(xù)軍用直升機(jī)的試飛設(shè)計(jì)工作。

武裝直升機(jī)；飛行品質(zhì)；飛行試驗(yàn)；作戰(zhàn)任務(wù)

0 引 言

直升機(jī)廣泛用于執(zhí)行各種軍事和民用任務(wù)，但對(duì)于某些特定任務(wù)，并非所有直升機(jī)均能夠勝任[1]，例如，穩(wěn)定性好但操縱性、機(jī)動(dòng)性差的直升機(jī)無法滿足偵察和攻擊任務(wù)的要求，而操縱性好但穩(wěn)定性差的直升機(jī)也難以完成吊掛和運(yùn)輸?shù)染_操縱任務(wù)。良好的飛行品質(zhì)是保證飛行員能夠安全操縱直升機(jī)并順利完成指定任務(wù)的重要保障因素[2]。

飛行試驗(yàn)是在真實(shí)大氣環(huán)境下進(jìn)行科學(xué)研究和試驗(yàn)的過程[3]，通常分為調(diào)整試飛、鑒定和定型試飛、使用試飛。在《美國(guó)旋翼航空適航性驗(yàn)證手冊(cè)》中明確指出了開展基于能力試飛驗(yàn)證的必要性[4]。對(duì)于軍用航空裝備，美國(guó)很早就開展了基于能力的試飛研究和應(yīng)用，而我國(guó)進(jìn)行的相關(guān)研究較少，主要以調(diào)整試飛和定型試飛為主。隨著航空技術(shù)的發(fā)展和軍隊(duì)需求的逐步提高，我國(guó)的航空裝備試驗(yàn)鑒定體系也逐漸向美國(guó)的試驗(yàn)鑒定體系靠攏[5]。該試驗(yàn)鑒定體系要求飛行試驗(yàn)應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)由基于指標(biāo)的試驗(yàn)鑒定模式向基于能力和任務(wù)的試驗(yàn)鑒定模式轉(zhuǎn)變，并盡快突破關(guān)鍵試飛技術(shù)，以適應(yīng)新形勢(shì)的需要。

對(duì)于基于能力驗(yàn)證的鑒定和定型試飛，依據(jù)直升機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)和使用要求進(jìn)行基于能力驗(yàn)證的試飛設(shè)計(jì)與評(píng)估是直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛的核心和關(guān)鍵。本文以某型武裝直升機(jī)為研究對(duì)象，從完成任務(wù)的能力出發(fā)，依據(jù)該型直升機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力、響應(yīng)特性的要求，將作戰(zhàn)任務(wù)分解成不同的作戰(zhàn)單元進(jìn)行飛行品質(zhì)試飛設(shè)計(jì)，把作戰(zhàn)任務(wù)構(gòu)想轉(zhuǎn)化為與任務(wù)緊密結(jié)合的試飛科目；并通過對(duì)作戰(zhàn)單元的飛行品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定，給出滿足作戰(zhàn)任務(wù)要求的試飛結(jié)果，使試飛結(jié)果能夠真實(shí)體現(xiàn)該武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)能力，以期能夠?yàn)楹罄m(xù)直升機(jī)定型試飛或使用試飛提供參考。

1 某型武裝直升機(jī)及作戰(zhàn)任務(wù)

我國(guó)自行研制的某型武裝攻擊型直升機(jī)，其飛行品質(zhì)設(shè)計(jì)按照國(guó)外最新的飛行品質(zhì)規(guī)范要求ADS-33E進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了當(dāng)代高性能直升機(jī)的飛行品質(zhì)要求，提出了不良目視環(huán)境、響應(yīng)類型等一系列新要求。武裝直升機(jī)在陸軍三維立體攻防作戰(zhàn)體系中承擔(dān)著對(duì)地攻擊和對(duì)空攻擊的作戰(zhàn)使命，要求飛機(jī)應(yīng)具有很強(qiáng)的對(duì)地和對(duì)空攻擊能力；能夠攜帶空-地導(dǎo)彈、空-空導(dǎo)彈等多種武器；能夠貼地飛行或利用復(fù)雜地形、地物隱蔽接近目標(biāo)并實(shí)施攻擊，為地面部隊(duì)提供直接火力支援；可直接攻擊敵方直升機(jī)等低空飛行目標(biāo)，參與奪取超低空制空權(quán)以及為我方直升機(jī)護(hù)航等。

2 飛行品質(zhì)設(shè)計(jì)思路

直升機(jī)的飛行品質(zhì)可分為內(nèi)部屬性和外部屬性兩部分，內(nèi)部屬性通常指直升機(jī)的操縱響應(yīng)特性、座艙環(huán)境、操縱和顯示等；外部屬性指直升機(jī)作戰(zhàn)時(shí)所處的外部環(huán)境、要求的任務(wù)能力、飛行員的緊張水平等[6]。以任務(wù)為導(dǎo)向的飛行品質(zhì)將直升機(jī)的內(nèi)部特性與外部環(huán)境有機(jī)結(jié)合，體現(xiàn)了飛行品質(zhì)的最終目的是保證直升機(jī)能夠順利完成任務(wù)的宗旨。直升機(jī)飛行品質(zhì)的定義包含：飛行員要求的或操縱指令所期望的直升機(jī)響應(yīng)、飛行員和直升機(jī)所處的環(huán)境、要執(zhí)行的任務(wù)、直升機(jī)自身特性和其在飛行中的表現(xiàn)等。以任務(wù)為導(dǎo)向的飛行品質(zhì)如圖1所示。

在進(jìn)行飛行品質(zhì)試飛設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從直升機(jī)的作戰(zhàn)使命出發(fā)，以驗(yàn)證作戰(zhàn)能力為核心和主基線，貫穿飛行試驗(yàn)的整個(gè)過程，包含研制試飛、初始使用試飛和使用試飛等各個(gè)階段[7]。飛行品質(zhì)試飛的結(jié)論應(yīng)包含設(shè)計(jì)的符合性結(jié)果和完成任務(wù)能力的驗(yàn)證結(jié)果。試飛設(shè)計(jì)應(yīng)從作戰(zhàn)任務(wù)的角度出發(fā)，分為作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)能力、本體響應(yīng)特性以及分解的作戰(zhàn)單元指標(biāo)要求進(jìn)行綜合飛行品質(zhì)驗(yàn)證，突出對(duì)作戰(zhàn)能力指標(biāo)的驗(yàn)證與考核。基于能力驗(yàn)證的直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛設(shè)計(jì)的思路如圖2所示。

2.1 作戰(zhàn)使用環(huán)境要求分解

進(jìn)行飛行試驗(yàn)的目的一是驗(yàn)證設(shè)計(jì)與研制規(guī)范的符合性，二是不斷修正計(jì)算模型[8]，為了確保數(shù)據(jù)的有效性、方便進(jìn)行計(jì)算模型的對(duì)比，飛行試驗(yàn)通常應(yīng)在規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行，例如特定的風(fēng)速、溫度等。同時(shí)，通過飛行試驗(yàn)還可驗(yàn)證飛機(jī)在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)能力[9]，對(duì)軍用直升機(jī)作戰(zhàn)使用環(huán)境的驗(yàn)證是作戰(zhàn)能力驗(yàn)證的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在初始使用試飛和使用試飛階段，飛行試驗(yàn)環(huán)境必須盡可能覆蓋陸軍航空兵所能遇到的真實(shí)使用環(huán)境。

武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)使用環(huán)境要求相對(duì)嚴(yán)苛，包括極端的自然環(huán)境、復(fù)雜的電磁環(huán)境和地面/空中火力攻擊的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等。武裝直升機(jī)的使用要求主要包括：①自然環(huán)境：能在高原、山區(qū)、叢林中飛行，能在野外草地、砂土地、有限面積的區(qū)域及斜坡著陸，能在晝夜間簡(jiǎn)單及復(fù)雜的氣象條件下飛行；②氣象條件：能在雨、雪、結(jié)冰、霧、穿云、大氣紊流和陣風(fēng)等條件下正常飛行和使用；③大風(fēng)條件：能在直至23 m/s的風(fēng)中起降和懸停；④敵方威脅環(huán)境：能在復(fù)雜電磁環(huán)境和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境(例如被敵方導(dǎo)彈跟蹤或鎖定)下使用。

上述使用環(huán)境中，能直接影響直升機(jī)的氣動(dòng)特性和飛行品質(zhì)的環(huán)境要素包括：23 m/s的風(fēng)、良好或不良的目視環(huán)境、斜坡著陸等。以斜坡著陸為例，其主要受直升機(jī)操縱極限、槳盤載荷、起落架載荷等限制。而某些環(huán)境要求對(duì)直升機(jī)的飛行品質(zhì)影響不大，例如復(fù)雜電磁環(huán)境等。因此，在進(jìn)行直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮野外草地、砂土地、有限面積的區(qū)域及斜坡著陸，晝夜間簡(jiǎn)單及復(fù)雜氣象條件飛行等環(huán)境要求。

2.2 作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)單元分解

良好的飛行品質(zhì)是飛行員操縱直升機(jī)安全、順利地完成指定任務(wù)的重要保障，進(jìn)行直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從其作戰(zhàn)任務(wù)的角度出發(fā)，將作戰(zhàn)任務(wù)分解成不同的小作戰(zhàn)單元，再將作戰(zhàn)單元繼續(xù)分解成不同的作戰(zhàn)指標(biāo)和飛行品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證[10]。

ADS-33E規(guī)范體現(xiàn)了以作戰(zhàn)任務(wù)為導(dǎo)向的飛行品質(zhì)要求和評(píng)定的思想，通過進(jìn)行規(guī)范中明確定義的任務(wù)科目及其組合的飛行試驗(yàn)，全面評(píng)價(jià)飛行品質(zhì)等級(jí)，進(jìn)而評(píng)價(jià)直升機(jī)完成預(yù)定作戰(zhàn)使命任務(wù)的能力。將作戰(zhàn)單元組合起來形成直升機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)譜或作戰(zhàn)程序，例如，國(guó)外某型攻擊直升機(jī)通過典型任務(wù)科目的組合形成的任務(wù)程序如表1所示[11]。

表1 某型攻擊直升機(jī)任務(wù)程序

武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)主要包括對(duì)地攻擊和對(duì)空攻擊。典型的對(duì)地攻擊任務(wù)為：貼地突防飛行，接近敵區(qū)后利用地形隱蔽并實(shí)施武器攻擊，攻擊方式包括懸停發(fā)射、平飛發(fā)射和俯沖發(fā)射，完成攻擊后進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避并返回。典型的對(duì)空攻擊任務(wù)為：通常采用高搖-搖(水平跟蹤后爬升轉(zhuǎn)彎再低頭發(fā)射空空導(dǎo)彈)攻擊敵方直升機(jī)，采用低搖-搖(水平跟蹤后俯沖轉(zhuǎn)彎再抬頭發(fā)射空空導(dǎo)彈)攻擊敵方低速固定翼飛機(jī)，攻擊后機(jī)動(dòng)規(guī)避。以典型對(duì)地攻擊作戰(zhàn)任務(wù)為例，依據(jù)武裝直升機(jī)對(duì)地攻擊作戰(zhàn)任務(wù)的使用要求，按照不同的作戰(zhàn)任務(wù)階段，分解為若干個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)單元(MTE)，再根據(jù)執(zhí)行每個(gè)任務(wù)單元時(shí)對(duì)飛行品質(zhì)的要求進(jìn)行考核。對(duì)地攻擊作戰(zhàn)任務(wù)可以分解為貼地突防機(jī)動(dòng)、武器攻擊、戰(zhàn)術(shù)規(guī)避等。貼地突防機(jī)動(dòng)可以繼續(xù)分解為側(cè)滑進(jìn)動(dòng)至懸停、障礙滑雪、急拉桿和急推桿、減速到?jīng)_刺等作戰(zhàn)單元，每個(gè)作戰(zhàn)單元按照規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行考核。戰(zhàn)術(shù)規(guī)避任務(wù)中的垂直隱蔽單元示意圖如圖3所示，其作戰(zhàn)要求如表2所示。

表2 垂直隱蔽作戰(zhàn)單元性能指標(biāo)

2.3 飛行品質(zhì)試飛科目

ADS-33E規(guī)范要求使用預(yù)估等級(jí)和認(rèn)定等級(jí)兩種不同的方法來確定直升機(jī)的飛行品質(zhì)等級(jí)。預(yù)估指標(biāo)為定量指標(biāo)，是直升機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)；認(rèn)定指標(biāo)為預(yù)估指標(biāo)在實(shí)戰(zhàn)中的綜合應(yīng)用。預(yù)估品質(zhì)等級(jí)可通過計(jì)算、仿真和飛行試驗(yàn)獲得的飛行品質(zhì)參數(shù)與直升機(jī)使用要求的邊界值相比較而獲得，試飛的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)符合性。預(yù)估品質(zhì)等級(jí)是從作戰(zhàn)任務(wù)中分解出來的相互獨(dú)立的單一指標(biāo)，其操縱協(xié)調(diào)問題不能確保所有的任務(wù)科目都滿足要求[12]。認(rèn)定等級(jí)由執(zhí)行貼近作戰(zhàn)任務(wù)科目的試飛給出，指標(biāo)包括任務(wù)科目的定量指標(biāo)與試飛員庫(kù)珀哈珀評(píng)分。認(rèn)定等級(jí)通過完成指定任務(wù)單元的工作負(fù)荷和任務(wù)性能指標(biāo)獲得，雖更貼近實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，但有一定的個(gè)人主觀性。從作戰(zhàn)任務(wù)角度出發(fā)，根據(jù)武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)和使用要求，分別進(jìn)行預(yù)估和認(rèn)定飛行品質(zhì)試驗(yàn)，綜合評(píng)定武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)能力。預(yù)估飛行品質(zhì)和認(rèn)定飛行品質(zhì)的試飛試驗(yàn)矩陣，即典型對(duì)地攻擊作戰(zhàn)任務(wù)的飛行任務(wù)單元科目分別如表3～表4所示。

3 飛行品質(zhì)試飛結(jié)果評(píng)定

飛行品質(zhì)試飛結(jié)果包括兩部分：一是與任務(wù)相關(guān)的預(yù)估飛行品質(zhì)指標(biāo)結(jié)果，二是反映真實(shí)作戰(zhàn)能力的認(rèn)定飛行品質(zhì)指標(biāo)結(jié)果。預(yù)估飛行品質(zhì)試飛科目的結(jié)果按照飛行品質(zhì)規(guī)范要求進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，該等級(jí)作為直升機(jī)飛行品質(zhì)的預(yù)估等級(jí)。任務(wù)科目試飛的飛行品質(zhì)等級(jí)作為武裝直升機(jī)飛行品質(zhì)的認(rèn)定等級(jí)。任務(wù)科目的等級(jí)評(píng)定包括定量指標(biāo)和試飛員的定性評(píng)定，即庫(kù)珀哈珀評(píng)分。如果任務(wù)科目達(dá)到滿意的要求，其飛行品質(zhì)等級(jí)按試飛員的庫(kù)珀哈珀評(píng)分確定的等級(jí)；如果任務(wù)科目?jī)H能達(dá)到合格的要求，其飛行品質(zhì)等級(jí)按試飛員的庫(kù)珀哈珀評(píng)分確定的等級(jí)降低一級(jí)。選取三組不同水平的試飛員進(jìn)行任務(wù)科目試飛，取庫(kù)珀哈珀評(píng)分的平均值作為試飛結(jié)果。由于任務(wù)科目與武裝直升機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)和使用要求直接相關(guān)，當(dāng)預(yù)估等級(jí)與認(rèn)定等級(jí)不一致時(shí)，應(yīng)當(dāng)以認(rèn)定等級(jí)為準(zhǔn)。

有關(guān)武裝直升機(jī)對(duì)地攻擊任務(wù)相關(guān)的任務(wù)科目試飛認(rèn)定等級(jí)與預(yù)估等級(jí)一致性分析情況如表5所示，可以看出：減速到?jīng)_刺、垂直躍上和躍下、瞬態(tài)轉(zhuǎn)彎三個(gè)科目的預(yù)估等級(jí)與認(rèn)定等級(jí)不一致，其他科目均一致；減速到?jīng)_刺科目試飛時(shí)在高溫環(huán)境下進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率達(dá)不到規(guī)范要求，故該科目只能達(dá)到合格的性能指標(biāo)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)快速加速時(shí)排氣溫度超溫情況嚴(yán)重，試飛員難以完成該科目試飛，故庫(kù)珀哈珀評(píng)價(jià)較低，該科目的飛行品質(zhì)等級(jí)按認(rèn)定等級(jí)確定；垂直躍上和躍下科目的預(yù)估等級(jí)有2級(jí)，但認(rèn)定等級(jí)為1級(jí)，表明等級(jí)2的懸停和低速時(shí)的總距-偏航耦合對(duì)該科目的執(zhí)行影響較小，該科目的飛行品質(zhì)等級(jí)按認(rèn)定等級(jí)確定；瞬態(tài)轉(zhuǎn)彎科目相關(guān)的開環(huán)條款要求均達(dá)到了等級(jí)1，但試飛員評(píng)價(jià)為等級(jí)2，該科目的飛行品質(zhì)等級(jí)按認(rèn)定等級(jí)確定。

表3 預(yù)估飛行品質(zhì)試飛矩陣

4 結(jié) 論

(1) 依據(jù)武裝直升機(jī)作戰(zhàn)使命任務(wù)和使用環(huán)境要求，將其作戰(zhàn)任務(wù)構(gòu)想轉(zhuǎn)化為與作戰(zhàn)剖面緊密結(jié)合的任務(wù)科目，并選取作戰(zhàn)使用要求的構(gòu)型、重量、飛控、高度、速度等飛行狀態(tài)進(jìn)行試飛設(shè)計(jì)，所得試飛結(jié)果體現(xiàn)了該型直升機(jī)在真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下貼地突防和機(jī)動(dòng)規(guī)避作戰(zhàn)能力。

(2) 依據(jù)開環(huán)科目預(yù)估和任務(wù)科目認(rèn)定的飛行品質(zhì)試飛結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定，是武裝直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛評(píng)估的進(jìn)步，它改變了傳統(tǒng)的飛行品質(zhì)試飛評(píng)估方式；所獲得的飛行品質(zhì)試飛結(jié)果更全面，能真實(shí)地反映出武裝直升機(jī)作戰(zhàn)需要的飛行品質(zhì)特性。

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張宏林(1979-)，男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛技術(shù)。

(編輯：馬文靜)

Capabilities-basedArmyHelicopterFlyingQualityDemonstrationFlightTestDesigningandEvaluation

Zhang Honglin

(Aircraft Flight Test Technology Institute, Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

According to the operational mission and requirement, carrying on the capabilities-based flight test and evaluation is an important direction of aviation equipment test verification to adapt the new military reform. For exploring the mode of capabilities-based aviation equipment flight test, an army helicopter is taken as research subject. Based on the army helicopter operational mission and capability requirement, the research of flight test designing, flight test result analysis and evaluation and so on are conducted. A train of thought and method about capabilities-based army helicopter flying quality, demonstration flight test designing are presented. And a valid flight test evaluation mode is given. The flight test results really reflect the capacity of this army helicopter about penetration at ground level and avoidable maneuver. The proposed thought and flight test method can be used to direct the subsequent military helicopter flight test designing.

army helicopter; flying quality; flight test; operational mission

2017-07-26；

2017-09-17

張宏林,honglin_cfte@163.com

1674-8190(2017)04-401-07

V221

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.006